中国北方东部风沙型、风沙型和粗粒化型砂质荒漠的成因与分布

中国北方东部风沙型、风沙型和粗粒化型砂质荒漠的成因与分布

1国内现状及存在问题土地沙漠是中国乃至世界上的一个主要环境问题。据中国荒漠化检测中心统计,目前,我国荒漠化土地面积约262.2万km2,占全国土地面积27.3%。沙质荒漠化的土地面积占全国荒漠化面积的70%以上,而且沙化土地面积仍以2460km2/y的速度扩展,已经成为制约国民经济持续稳定发展的重要因素。建国以来,中国科学院、农业、林业、水利、水保、环保、土地、地矿等许多部门对我国土地沙漠化、水土流失(土壤侵蚀)、盐渍化的危害与治理以及对农田、草场、林地的土地利用状况等都进行过大量的调查研究工作。如20世纪50年代中科院、水利水保等部门对黄河中上游地区水土流失进行的调查,60年代初水土保持局开展的黄河中上游小流域治理区对比沟实验研究,80年代初水利部门组织的全国土壤侵蚀调查,中科院-国家计委自然资源综考委进行的黄土高原地区综合考察研究,以及1986年列入国家“七五”重点科技攻关项目的黄土高原综合治理等项目,取得了一系列重要成果。在土地沙漠化研究方面,建国初期到1958年主要是针对营造防风固沙林带开展了有关沙丘的研究;1959～1965年是沙漠化研究的大发展阶段,中科院治沙综合队围绕“查明沙漠情况,寻找治沙方针,制定治沙规划”的任务,采用野外考察和航片判读方法,对我国西北和内蒙6省(区)沙漠地区开展了多学科考察,研究了沙区自然条件、自然资源、沙漠变化及风沙运动的规律等;1965年至70年代末,工作重点转入结合重大建设项目的专题研究;1977年联合国荒漠化会议后,国家环保局与中科院等单位合作开始了我国沙质荒漠化的调查、监测与防治研究。在土地盐渍化研究方面,50年代以来中科院、农业、地矿等部门都做过大量的调查研究工作,提交了相应的调查报告和系列图件。如,50年代中科院南京土壤所编制的《中国盐渍土分布图》(1∶1000万)、70年代编制的《中国土壤图》(1∶400万)和80年代编制的《中国土壤盐渍分布图》(1∶2000万)等,发表了《中国的碱化土壤》、《中国土壤盐渍过程及盐渍分区》等专著。农业部门编制了《黄淮海平原旱涝碱综合治理区划图》(1∶100万),地矿部门编制了《黄淮海平原盐渍土分布图》(1∶100万)、《河套平原盐渍土改良水文地质图》和《中国土地盐渍化沼泽化图》(1∶600万)等图件及相关报告。此外,在土地利用调查方面,80年代中科院综合考察委员会应用遥感方法对全国土地资源进行评价,编制了1∶100万土地资源图;农林部门对我国草场资源、森林资源进行了调查等。按照1994年联合国175个成员国和国际组织签署的《联合国防治荒漠化公约》(CCD)及其亚洲区域执行附件的认识与要求,我国的荒漠化调查、监测与防治研究工作开始逐渐纳入中国荒漠化防治行动方案的规划与实施及荒漠化对我国环境建设与社会经济可持续发展影响的研究之中。1994年《联合国防治荒漠化公约》签署后,国家林业局被确定为我国防治荒漠化归口协调管理部门,于1994～1996年组织了全国沙漠、戈壁及沙化土地普查。这次普查基本查清了全国沙漠、戈壁及沙化土地的面积、分布现状及近20年来的发展趋势。1995～1996年,气象部门专家按公约要求计算并划分了我国的气候类型,确定了荒漠化发生的气候地理区域,编制编写了1∶250万《全国荒漠化土地分布图》和《中国荒漠化报告》。1994年以来,国家环保局、林业局、土地局、水利部、农业部等先后发布了《中国环境保护21世纪议程》、《中国21世纪议程林业行动计划》、《全国土地总体规划纲要》、《生态建设水土保持专项规划》、《草地生态建设专项规划》等与防治荒漠化相关的规划纲要。为进一步全面开展荒漠化的区域地质分布与分类、发展趋势的调查,深入研究荒漠化产生的地质背景、治理与自然环境的变迁等方面的研究,并引起全社会的广泛关注。中国地质调查局于2001年下达了《中国三北地区荒漠化区域分类与发展趋势综合研究》项目,作为国土资源大调查中的一项重要任务,配合目前我国的西部大开发,为今后我国国民经济的可持续发展提出正确并更加符合自然法则的环境保护、荒漠化治理措施。本文是该项目2001年调查研究的部分阶段性成果总结。2中国北方东部沙漠的地质背景2.1前中晚古生代地界盆地分布中国北方东部地区,指贺兰山、六盘山以东、秦岭-大巴山以北的广大地区。本区大地构造位置分属西伯利亚板块和华北陆块,二者以华北陆块北缘断裂为界。次级构造由陆缘增生褶皱带及其包围的微型陆块组成。前者有额尔齐斯、兴安岭两个古生代陆缘增生褶皱带和锡林浩特、嫩松-佳木斯两个微型陆块。它们还可以划分为10个更次一级的单元,其中本项目工作区内有7个,大致以盆地和褶皱带形式分布。主要有华北新生代裂陷盆地、鄂尔多斯中生代拗陷、山西隆起、华北北缘隆起带和鄂尔多斯边缘中生代地堑。西伯利亚和华北陆块大致经历了前元古代陆核形成、前震旦纪地台发育、震旦-三叠纪联合古陆形成以及后印支期联合古陆解体等几个大阶段。印支运动后,中国东部固结为一个整体,东部构造线从近东西和北东东-南西西转变为新华夏系的北北东-南南西方向。大陆上形成一系列盆地,环太平洋发生强烈火山活动。后印支阶段,以新华夏构造为特征,东部构造大体分为3个带,西带发育大型内陆盆地;中带以近海盆地为主;东带以火山活动为特征。西、中带以兴安-太行山为界,中、东带以剡庐断裂为界。内陆盆地和大陆边缘的发展分两个阶段:从侏罗至早白垩世,即燕山早期,区域应力为挤压型;晚白垩世至晚新近纪,即喜山期,区域应力为拉张型。燕山阶段,西带发育大型内陆沉降盆地,东带发育大量火山活动,西部内陆盆地普遍沉降,中侏罗世达到最大规模,沉积了细碎屑和灰泥质物质。早白垩世,盆地西缘强烈抬升,盆地缩小,边缘沉积物以洪积为主。中带自印支运动以来,一直处于隆升状态,直到白垩纪才开始沉降,如松辽盆地,经历了断陷、下拗和抬升3个阶段。松辽盆地在古老基底上发育,断陷一直持续到早白垩世晚期,到晚白垩世,普遍下拗、沉陷,形成有利石油生成的深水湖相沉积环境。东带发育火山岩,呈北东-南西雁行状排列,胶辽大型火山岩与大兴安岭山脉相连。喜山期,西藏高原抬升,中、东带沉陷,西带鄂尔多斯盆地进一步缩小,并在古近纪之初完全消失。此时,华北盆地大规模断陷,导致渤海和华北近海盆地出现了大陆裂谷和半地堑构造,汾渭地堑(裂谷)从古近纪一直持续到第四纪。2.2青海湖隆升期有关地质时代80年代以来,有关青藏高原隆起及其对亚洲乃至世界气候和环境带来的变化,一直是地球科学研究的热点课题,近年来更是受到各个方面的重视。号称地球第三极的青藏高原,它的隆起是地球地质历史发展进程中的重大事件。据李吉均院士研究,青藏高原第三纪曾经过两次上升和夷平,至上新世末,平均海拔不超过1000m。自上新世末以来,经过4个分阶段的隆升,才形成今日雄伟壮丽的青藏高原。这4个分阶段分别是:0.3～0.4MaBP,0.2MaBP,0.12MaBP,和0.03～0.04MaBP。每次隆升之后,总有一段侵蚀过程,第二阶段的隆升出现了喜马拉雅山。上新世末以来,青藏高原已累计上升了3000～5000m。青藏高原的隆起上升,地质上是由于冈底斯地块与喜马拉雅地块进一步的碰撞造山和地壳加厚所造成。喜马拉雅山的崛起,彻底改变了中国大地构造地貌的结构形态,形成了中国大陆至陆架地形上的4大阶梯及其中的第四纪堆积盆地。西部盆地受特提斯-喜马拉雅构造域的控制,呈近东西向展布,东部盆地受环太平洋构造域控制,呈北北东向延伸。在中国新构造分区的背景上,与青藏高原隆起相应的各地质历史阶段,各地发生了不同性质的构造运动,不同程度地改变着中国第四纪各阶段古气候分带及古地理环境,进一步促进了全球性气候变化及其对中国的影响,形成了中国第四纪堆积物不同成因类型及其区域展布的分带性。青藏高原隆起之前,中国大陆基本上以纬向分带为主,冷暖干湿变幅较小;青藏高原隆起之后,则出现了明显的东西分异格局,冷暖干湿变化明显增大。日本学者真锅淑朗首次指出,青藏高原隆起对亚洲季风形成起着重大作用;美国学者拉迪曼提出青藏高原隆起是新生代全球进入冰期的主要原因。更多的研究者认识到,青藏高原的隆起使世界气候环境发生了巨大变化,它极大地改变了亚洲环流的形势,导致了世界上最强大的季风系统的发生,并对北半球的环流产生重大影响。随着青藏高原的逐渐隆升,喜马拉雅山的崛起,成为阻挡印度洋暖流季风向北运移的天然屏障,使中国西北部变得干旱、少雨和寒冷。在冬季,亚洲北部形成了强大的西伯利亚-蒙古高压,黄土高原的形成与西北干旱地区的沙化,与冬季风的出现有密切关系。总而言之,青藏高原隆起使亚洲形成的季风环流系统,造成我国北方大部分地区的干旱、半干旱气候,是形成现代戈壁、沙漠等自然景观也即自然造成的荒漠化的根本原因。2.3晚更新世以来土地关系的演化研究区第四纪以来的沉积主要受构造运动、地貌以及古气候变迁的影响,即全球环境变化和青藏高原的隆升是影响中国第四纪沉积物发育的主要因素。第四纪地层的物质组成是中国北方土地沙漠化最直接的物质来源。因此,了解研究区第四系沉积物的特征及其所反映的古环境变迁是土地沙漠化调查与研究的前提。中国北方第四纪初期,继承了由上新世以来存在的湖盆体系,古气候开始出现频繁的冷暖变化。此时,在我国北方,鄂尔多斯北部为湖相沉积区,鄂尔多斯南部、汾渭地堑和山西隆起(今日黄土高原的主要区域)的黄土沉积区,华北新生代裂陷盆地的冲洪积沉积区和湖积区等。这些盆地和地堑边缘的隆起带则构成了风化剥蚀区,成为盆地沉积物的主要来源。在黄土高原地区,大气沉积作用受冬季风影响逐步加强,已经大量接受粉尘堆积,形成红粘土和午城黄土;在现今的内蒙古中东部的沙漠、戈壁区,盆地凹陷区内接受周围山地的河流沉积,形成了巨厚的砾石层和砂泥层;此时的西辽河平原,继续沉降,沿山麓堆积洪积和冲积物,向平原中部过渡为河湖相沉积。早更新世末至中更新世初,青藏高原的强烈隆升使中国北方逐步发展形成外流水系和现今的陆地构造格局。西北部干旱区的山地普遍发育山地冰川,山麓地带形成较厚的砾石层。中更新世时期盆地内的荒漠气候使沙漠和戈壁不断扩展,形成了巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠以及塔克拉玛干等沙漠。研究区内,鄂尔多斯地台北部开始形成毛乌素沙漠,但其规模较小;南部的黄土沉积区也明显向东南方向扩展,形成了离石黄土层。浑善达克沙地所在的隆起区依然是湖相沉积区,形成大量的湖泊相砂层。华北地台的东部西辽河平原沉积了厚层的河湖相粘土层。晚更新世,毛乌素沙漠逐渐扩大到现今沙地的规模,浑善达克沙漠形成并向东扩展。沙漠北部干旱区的山麓地带、盆地周边地区,洪积平原广泛发育,其上的细粒表层物质被风吹蚀以后,成为砾石裸露的戈壁。干旱气候使风的地质营力加强,黄土粉尘的搬运作用达到高潮,形成的马兰黄土超覆在以前所有黄土堆积之上。西辽河平原上则形成了大量的河湖相冲积、洪积和湖积沉积物,以细粒沙物质为主。值得特别指出的是,晚更新世末期(大约11000年前)的新仙女木降温事件使全球气候快速变冷变干。干旱寒冷的气候、使得因青藏高原隆升所形成的季风的地质营力进一步加强。毛乌素沙漠迅速向南扩张,达到地质历史上的最大规模,并在黄土高原北部地区的黄土层上沉积了近1m厚的沙土层。浑善达克沙漠也同时达到最大,其最南端到达多伦县以南。进入全新世后,经历了一次较晚更新世暖湿的时期,湖泊扩大,地表径流加强,绿洲发育,沙漠后退。此时,毛乌素沙漠成为固定沙丘地,且普遍发育零星的小湖,成为水草丰美的肥沃土地。黄土高原地区全新世以来堆积了厚约1m的黄土,其中发育黑垆土。东部平原区则继续以堆积河湖相沉积为主。过去的几千年,由于农作物生长、动物饲料的生产以及对能源的需求,人类对土地的利用在不断的加强,这在最近一个多世纪的时间里尤为突出。人类对土地的“超强度”利用不仅造成水土流失和景观改变,而且还造成土地退化和农作物产量的不断下降,即“荒漠化”。从某种程度上说,人类活动产生的环境变化在某些方面与第四纪的环境变化有类似之处,它将与自然因素一起影响着地球表层环境演化过程。3对罪犯分级表的修订作者曾提出了中国北方沙质荒漠化分类、分级及其参考指征,作为地质调查项目在荒漠化调查研究工作中的参照。经过野外调查研究工作的实践、验证和深入的资料综合研究后,我们认为有必要对沙质荒漠化分类、分级表进行一些修订,使之更加符合我国北方地区的实际情况。修订中,进一步参考和吸纳了一些专家的见解和宝贵资料。虽然如此,此次修订的荒漠化分类、分级及其参考指征(表1),仍需在今后的实践中不断完善。4北方东部地区表现出的一个引领性植物群落通过典型区荒漠化调查、区域荒漠化路线地质调查等手段,对我国北方东部尤其是毛乌素、浑善达克和科尔沁等主要沙地及其周围地区、库布齐沙漠、河北坝上草原、锡林郭勒草原等地的荒漠化地质调查,提出了北方沙质荒漠化的成因类型及其分布特征。认为我国北方(东部地区)沙质荒漠化可分为3种类型,即就地起沙型沙质荒漠化、地表土壤粗粒化或戈壁化和风沙型沙质荒漠化。这些荒漠化的类型及其区域分布特征,取决于地质背景、气候条件和人类经济活动的强弱等诸多因素。现将其主要分布区和沙质荒漠化特征简述如下。4.1女、黑土及科尔茨沙地的沙漠化就地起沙型沙质荒漠化的前提是在沙质荒漠化地区存在着沙物质。因此,该类型荒漠化就是北方东部沙地内、流经沙地的古河道、广泛发育河湖相砂质沉积物以及以砂质沉积物为母质的土壤分布区等地区的主要沙质荒漠化类型(图1,图版Ⅰ-1、2)。在毛乌素沙地,较严重沙质荒漠化主要集中在榆林市西北部、靖边县北部、杭锦旗南部、乌审旗以及神木县西部(图版Ⅰ-3),无定河中下游、秃尾河中游、佳芦河上中游和窟野河的西沟等支流的古河道中。如前所述,在晚更新世晚期的新仙女木事件中形成的流沙,被全新世暖湿期形成的黑垆土或者相当于黑垆土的沙质古土壤所覆盖(图1,图版Ⅰ-4)。据最新资料报道,全新统覆在马兰黄土之上,毛乌素沙地的某些地区如榆林市三道沟有数层(1～3层)黑色砂质古土壤。在漫长的地质历史中,在风力、水等地质营力作用下,加上全新世晚期尤其是近千年来人类活动的影响,使覆盖在上述流沙之上的黑垆土或者黄土被剥蚀,流沙出露,构成沙质荒漠化(图版Ⅰ-2、4)。浑善达克沙地的沙质荒漠化近年来发展强烈,主要集中在正镶白旗西北部地区、多伦县、流径沙地的巴音河、闪电河上游等地(图版Ⅰ-5、6)。该沙地也是中晚更新世形成,其沙漠化在晚更新世末期达到最大规模。早、中更新世该地区沉积了大面积河-湖相砂质沉积物,构成了晚更新世沙漠化的主要物质来源(图版Ⅰ-6,图版Ⅱ-1)。同毛乌素沙地一样,在全新世的早期,该沙地在不同地段也形成了1～2层不同厚度的黑色沙质古土壤。上述古土壤层表明浑善达克沙地在全新世早期是逐渐固定、而在全新世中晚期重新活动的沙地。无论是在现今沙地内部还是在闪电河上游地区,该区的沙质荒漠化均是以这层沙质古土壤层被剥蚀、上述流沙质重新活动为特征(图版Ⅱ-2)。科尔沁沙地的严重沙漠化主要集中在翁牛特旗-奈曼旗以北、教来河以东到科尔沁左翼后旗-巴胡塔以西的广大地区。其中以翁牛特旗以北,奈曼旗-库伦旗以北地区最为严重,到处可见流动沙丘(图版Ⅱ-3、4)。上述地区也是相对干旱少雨的低山丘陵区与沙地的交界处,土地沙化的治理工作难度较大。笔者在科尔沁沙地通辽市八一农场一带发现了风沙早期活动的证据(图1,图版Ⅱ-5)。在图1中的八一农场剖面中,黑色砂质古土壤层厚30cm,其下为风积沙物质。由于该层古土壤的测年结果尚未得到,目前还不能断定该层古土壤是在全新世早期还是中晚期形成。因此,在上述古土壤形成之前,科尔沁沙地已经有过沙漠过程!此外,由于科尔沁沙地地质构造上长期处于沉降带中,尤其是在西辽河流域的中心部位,其两侧沉积的大量的河湖相沙层和上述古土壤之下的风沙,共同构成了科尔沁沙地的风沙物质来源。内蒙古乌拉特前旗东北部、乌梁素海以东的沙质草原和坝上沙质草原的部分地区也存在着全新世河湖相沙层,构成了这些地区沙质荒漠化(图版Ⅱ-6,图版Ⅲ-1)的物质来源。4.2古生代、新生代地表土壤粗化或戈壁化是目前北方含砾沙质草原的荒漠化主要特征,分布在内蒙古西起阿巴嘎旗东到锡林浩特以东的锡林郭勒草原,镶黄旗-正蓝旗一带、河北坝上草原的大部分地区。上述地区土壤类型多为含砾沙土,土壤母质是残坡积或冲积砾石和基岩风化壳(图2,图版Ⅲ-2、3)。地质历史上,上述地区自太古界基底形成之后,除在古生代、中生代长期和新生代有短暂的沉积以外,长期处于风化剥蚀区。其中,晚石炭世和早二叠世的砂岩、细砂岩和该区侵入的花岗岩等构成了浑善达克沙地的主要沙物质来源。下-中更新统在坝上地区沉积了大量的细砂层、砂砾石等,更是浑善达克沙地的直接物质来源。全新世以来,该地区气候变化过程中有3个主要的适宜期:6900～5700aB.P.,4600～4000aB.P.和3500～3000aB.P.。其中,6900～5700aB.P.是大暖期中最稳定的暖湿时期,在坝上和内蒙古中东部多数地区均发育了厚度不同的深褐-灰黑色砂质古土壤。这些古土壤多数也是当今该地区草原植被赖以生长的主要土壤。明末至清朝以来,气候变冷干(旱),草原土壤开始退化,地表土壤中的有机质含量逐渐降低,颜色变浅(图版Ⅲ-4)。尤其是近50年来,随着内蒙古东部经济活动的增强、牧业的发展和垦荒等,草原植被覆盖率逐渐下降,生态环境受到极大破坏,土壤沙化愈来愈烈(图版Ⅲ-5、6)。其结果使土壤中细粒物质丧失,残余较粗的沙砾,导致土地戈壁化。4.3不同地区的表现所谓风沙型沙质荒漠化是指由于风力作用,近源或远源的砂粒物质被吹扬而在沙物质源区之外聚集所造成的沙质荒漠化。文献资料研究和野外地质表明,这类沙质荒漠化主要分布在上述沙地或沙漠的边缘地带。例如,在陕北,风沙型沙质荒漠化主要分布在毛乌素沙地东南缘的覆沙黄土区(图版Ⅳ-1、2);在内蒙古河套地区,主要分布在库布齐沙漠的东南边缘(图版Ⅳ-3);在浑善达克沙地,主要分布在沙地东侧和东南侧的含砾沙质草原区;在科尔沁沙地,主要分布在沙地的东南侧黄土区和东侧的平原区。风沙的上述分布特征取决于风沙型沙质荒漠化形成的地质背景、气候条件等。前人大量的实验研究和野外考察表明,风沙活动与风力的关系非常密切。在风速>5～6m/s的风力作用下,地表的沙物质才能被吹扬而起沙。如果要将沙物质持续、连续地依靠风力长距离搬运,不仅所需风力更大,而且还取决于地形地貌、植被、水文地质等条件。因此,该类沙质荒漠化与不同地区年大风风向和风力相关。前人研究程度较高的黄土高原北部沙黄土分布与分区中的沙质黄土区之南,正是风沙型沙质荒漠化的典型分布区。5锡林浩特地区的沙物质环境自1993年5月5日“特大黑风暴”在近5个小时内席卷我国新疆、甘肃、宁夏和内蒙古部分地区,造成惨重人员伤亡。继1998年4月18日,尤其是2000年冬春季节北京地区发生10余次沙尘暴、造成重大经济损失之后,人们逐渐认识到荒漠化尤其是沙质荒漠化是目前造成冬春季节沙尘暴的根源之一,从而重视荒漠化问题。为了防止荒漠化的进一步发展,国家制定了大量的法规,于2001年颁布实施了《沙漠化防治法》。一些沙漠化严重的地方也采取了许多措施如工程治理、植树造林、退耕还林还草等进行沙质荒漠化的治理。其中,在锡林浩特以北的锡(林浩特)阿(伏亥勒)公路西侧的防风墙(图版Ⅳ-4)便是工程防风治沙的一种。沿途在公路西侧,每隔数百米就用水泥、石块砌起一堵长100m、高1.8m、厚30cm的防风墙。作者在锡林浩特北约40km处挡风墙下所观察到的一些现象值得人们深思。锡林浩特一带是我国年大风日较多的地区(刘光明,1998),是我国重要的风沙重点防护治理区之一。在上述防风墙的两侧,沙物质和腐殖质呈层状堆积。通过观察,堆积物的上部为较细的沙、土和短小枯草渣和粉末,沙土的粒度多在0.05～1mm(图版Ⅳ-5)。堆积物的下部则是粗粒的沙和较长的枯草枝,沙粒的粒度可达1～2mm(图版Ⅳ-6)。堆积物的这种分选特征表明,在风力作用下,在距地面1～1.6m的高度内,沙物质具有明显的分带性。由于风沙物质的运移是以沙粒跳跃式前进的方式进行,一般说来,在有明显的地貌阻挡条件下,这些颗粒较粗沙尘便会停下堆积。颗粒极细的粉尘则被大风卷到高空,飘落到较远的地方。这样的过程,造成了土地的粗粒化,或者戈壁化。上述土壤风化和粗粒化过程的同时,有大量的细粒物质被风力吹蚀而飘向远方(朱俊风等,1999)。但是,大量的细物质要飘扬得很远,必须有足够的风力。资料研究表明,地表细粒物质距地面2m高度内的起沙风速,粒度0.25～0.5mm者为5.6m/s;0.5～1.0mm者为6.0m/s。锡林浩特地区的年平均8级以上大风日在61.1d,且该地区的沙尘暴日65%以上集中在3～5月。此时,北方大部分地区的气候主要受西伯利亚-蒙古高压控制,以冬季风为主,风向主要为西北风和西风。同时,该时期也是年降雨量最少、土壤干燥、植被覆盖度极低的时期。在大风吹扬下,土壤中的细粒物质极易被卷到高